回收聚酯再生技術的發展趨勢
解聚合是聚酯化學回收的製程,許多大小公司都在努力研究。比利時技術紡織品研究中心Centexbel的顧問Pierre Van Trimpont表示:「這是很有潛力的領域,生產出的二級原料等級可與『原始』物料相提並論。這不只是一個回收的過程,更是一個材料再生的過程。」
研究此領域的眾多公司中,並非所有公司都是針對廢棄的塑膠和紡織品進行解聚,因為這是一個需要高純度原料的領域。有些公司正在研究機械和化學混合工法,以分離出各種成分,而不將其分解為原始單體。他們相信這些方法更適合用於混紡紡織品。
解聚合被認為是PET機械回收的補充方案。所謂的「切碎並清洗」方法,只能從透明或藍色的PET飲料瓶中獲得符合品質的再生薄片。在某些情況下,只要衣服是由100%聚酯製成的,那衣服也可以是回收來源。儘管此方法已被廣泛採用,但許多人將機械回收的消費後瓶子製成的rPET,視為一種降級回收的方法。此外,根據Textile Exchange估計每年全球生產的PET,有三分之二(約5500萬噸)是用於製造服裝用的聚酯。紡織品的回收,將對減少廢物產生更大的影響力。
革命性回收技術
正如聚合單體的方法有許多種,材料的解聚合也有多種技術可以達成。最常見的方式是透過糖解、甲醇分解和水解作用。分解聚合物鏈的過程也可以透過酶來達成,這是法國公司Carbios研究的路線;也可以透過微波來實現,如義大利Gr3n的研究方法。
1.Carbios
2019年4月在《Nature》期刊上發表的一篇科學論文,主題是Carbios這十年來正在開發的酶回收工法(「一種經工程設計的PET解聚合酶,可分解和回收塑膠瓶」)。Carbios副執行長Martin Stephan表示:「我們正在開發的可無限回收PET塑膠和紡織品系統,這是針對機械回收的改進技術,在機械回收中,聚合物在每個階段都會降級,且到某個階段就再也無法回收成可利用的產品。」
其示範工廠已在法國里昂附近的化學聚落Saint-Fons開始建設,預計將於2021年投入營運。它將替該公司驗證這個工法是否可以擴大規模,以建立每年達15萬噸產能的PET工廠。這家生物技術公司已經與丹麥的Novozymes建立合作夥伴關係,以擴大Carbios專利酶的生產。此為特殊的酶,可分解PET並讓其他材料保持不變。當酶完成作用之後,即可分離、過濾和純化PET單體(對苯二甲酸和單乙二醇)。此外,此工法不需要溶劑,水可以在封閉循環中持續使用,該工法會在大約72°C的生物溫度下進行。
2.Gr3n
Gr3n公司正在開發的工法DEMETO(使用MicrowavE TechnolOgy進行解聚合作用),已獲得EU Horizon 2020計劃的資助,並且建設一座示範工廠,該工廠一年可以處理1,000噸的廢棄物。據稱他們可以利用微波切割聚合物鏈並去除污染物,再將材料從PET當中分離出來。這種方法增加了可回收PET / PES的比例,可以針對難以處理的PET廢物(例如塑膠托盤)進行處理。DEMETO可以處理任何聚酯含量不低於70%的材料,無論其他成分是完好無損的棉花,甚至是PU這種極難分解的材料。舊衣服無須將鈕扣、拉鍊或其他非紡織元素卸下,就能進行微波處理,但是需要將其切成特定尺寸。創始人兼執行長Crippa表示:「70%是使我們的工法具經濟效益的最低PET含量。」Gr3n針對該工法的15年研究中,很多時間都花在純化階段,以獲得原始的PET成分,即乙二醇(EG)和對苯二甲酸(PTA)。這個方法讓該公司能夠製造出Crippa認為等級與直接從石油煉製的單體相似的原料。同時是封閉循環系統,因為它會釋放出氯化鈉作為副產品,並透過電轉化為生產該過程所需的兩種化學品,副產品是用於進一步處理的資源,可讓資源的循環成為封閉系統。
由於解聚反應可以視為與聚合反應高度相關的作用,因此一些公司正在研究解決方案,以使他們能夠將現有的設施,轉換為回收或再生工廠。
3.Eastman
Eastman化學公司已針對其乙酰基(acetyls)和纖維素的相關生產工法的前端進行修改,以透過該公司的碳再生技術(CRT)來回收廢棄塑膠。這個技術於2019年底在田納西州Kingsport開始運作,此廠同時也是該公司最大的製造基地和全球總部。它的「重構」技術可以分解塑膠廢料,並將其轉化為像是碳、氧和氫之類的分子組件。 Eastman 紡織品全球行銷總監Ruth Farrell表示:「這些分子與原物料幾乎難以區別,我們使用它們來生產具有再生成分認證的新材料。藉由這項技術,可以無限次回收廢棄塑膠並生產出品質不會降級的新材料。」這種方法也可以回收沒有良好報廢處理方法的複雜塑膠材質,並且有可能在未來能夠回收紡織品。
該公司也正在開發PET的化學回收製程,該製程稱為聚酯更新技術(Polyester Renewal Technology , PRT)。2020年Eastman公司開始運作透過糖解作用回收透明PET瓶的計劃,但計劃在2022年改為使用甲醇分解,此將能夠加工各種不適合機械回收的PET和PETG;PRT生產出的PET單體結構單元,可用於製造新材料。
4.CuRe
CuRe Technology正在開發一種稱為「模組化分子回收」的製程。這是再生聚酯生產商Cumapol、特用聚酯生產商Dufor、Dyneema纖維製造商DSM與其循環經濟部門DSM-Niaga、Morssinkhof Plastics和理工學院NHL Stenden共同努力的成果。CuRe依照廢棄物的品質和所需的產出,選擇最低能耗的回收系統,該系統將為製造新的PET提供基礎材料。每個合作夥伴在這個生態系統中發揮自己的作用,負責廢棄物處理的Morssinkhof Plastics和DSM,也提供相關的材料科學專業知識。
CuRe正在開發的製程,有部分使用糖解作用(glycolysis),並涉及12個不同的步驟。從這些步驟可以一眼看出將聚合物還原回其結構單元,所需的步驟有多少。經過一系列的收集、分類、清潔、解聚合和純化的步驟後,致力於開發一種獨特且連續的工法,該工法不需要將材料轉回原始單體,可以直接重新聚合為聚酯。CuRe的工法不需要完全分解聚合物,可節省能源和溶劑使用。高溫會影響黏稠度,因此最好避免高溫。CuRe將能量保留在分子中,由於不用冷卻它們,所以也不需要再次加熱。
目前,一間試驗工廠正以此工法每小時處理20公斤的廢棄物,並且該公司仍在研究最終如何建立起再聚合生產線,這個生產線預計於2020年年底將投入營運。該公司表示一旦生產線完成,它可能將原來的聚酯生產廠改為採用這個分子回收的新方法,該工廠位於荷蘭,產能25,000噸,將於2023年投入營運。
CuRe在開始回收紡織品之前,專注於回收像是食品盤和有色瓶罐等難以回收的塑膠。服裝部分由於有塗料和彈性纖維,而且需要進一步分類,因此有著許多難題。CuRe也呼籲服裝業開發一個全球產品護照系統(global product passport system),以簡化產品的追蹤與分類。
5.PerPETual
自2014年以來,PerPETual在印度Polygenta的工廠透過糖解作用以進行PET瓶的化學回收。現在它聲稱可以提供高品質的PET,而且價格比起傳統PET具有競爭力。perPETual表示所開發的酯類聚合物,現在具有與石化產品相同的品質,且甚至生產成本更低;這是一個巨大的轉折點。在過去的兩三年中,perPETual看到了化學回收的趨勢,這有部分是因為化學回收可以去除塑膠中的污染物甚至細菌,進而獲得穩定高品質的產品。
除了PET瓶,perPETual現在還以實驗性規模來回收聚酯紡織品。perPETual CEO表示,紡織品的解聚合和純化過程其實更容易,因為用於紡織品的染料通常位於表面,而在瓶罐中,染料會被注入到聚合物中。但是,該公司僅能回收以100%聚酯纖維製成的產品。
聚酯纖維服裝的化學回收,最早是由日本帝人公司(Teijin)所開發,該公司於2002年推出了Eco-Circle。其他日本公司也紛紛效仿,並特別關注可作為原料的服裝。Jeplan(日本環境設計)的製程是使用糖解作用並產生BHET分子,該公司計畫在2022年之前於法國建立工廠;伊藤忠商事株式會社(也是日本公司)已建立了循環生產鏈,以將廢棄聚酯服裝還原為DMT和MEG分子的工法進行聚酯回收,自2012年以來,一間年產能為30,000噸的工廠已在中國投入營運。伊藤忠RENU專案的經理Sachiro Shimoda表示:「該系統會解聚PET,也會重新聚合它。在系統過濾和純化的過程,染料與污染物會被除去,從而獲得與純聚酯幾乎相同的純度。」公司發言人Reira Miyatsugu表示,這個系統回收的廢棄紡織品和服裝,其聚酯含量最少為93%,且絕對不含PU,同時還必須除去拉鍊、鈕扣和金屬元素。這些費時的分類和原料轉化作業增加了此工法的成本。為了使其具有經濟效益,伊藤忠的RENU再生聚合物,是混合了消費前和消費後的廢料與舊衣服所製成。該公司打算開發一個循環系統,並試圖將該技術推廣到全世界。
Centexbel的顧問Daniël Verstraete表示:「聚酯的化學回收潛力很大。」但是它仍然成本高昂。除了必要的研發投資外,其能源使用量也高於機械回收方法,廢棄紡織品的處理也遠遠未能最佳化,這使得原本非常便宜的材料費用上升。但是Carbios的Martin Stephan指出,石化聚合物產業相對於這些新一代解聚合技術有50年的領先優勢,但遲早有一天聚酯的分解和再生技術也能夠與石化產業競爭。